Rancangan Elektronik - Kaedah bentangan PCB optimal untuk bekalan kuasa SIMPLE SWITCHER

Masalah kekurangan tenaga global telah menyebabkan kerajaan di seluruh dunia melaksanakan dengan tegas polisi penyimpanan tenaga baru. Standard penggunaan tenaga produk elektronik semakin ketat dan ketat. Bagi jurutera rancangan PCB, bagaimana untuk merancang efisiensi yang lebih tinggi dan bekalan kuasa prestasi yang lebih tinggi adalah satu cabaran abadi. Mulai dari bentangan bekalan kuasa PCB, artikel ini memperkenalkan kaedah bentangan PCB terbaik, contoh dan teknik untuk optimasi prestasi modul bekalan kuasa SIMPLE SWITCHER.

Apabila merancang bentangan bekalan kuasa, perkara pertama yang perlu dipertimbangkan ialah kawasan loop fizikal dua loop semasa ditukar. Walaupun kawasan loop ini pada dasarnya tidak kelihatan dalam modul kuasa, ia masih penting untuk memahami laluan semasa kedua-dua loop kerana ia akan melampaui modul. Dalam gelung 1 yang dipaparkan dalam Figur 1, kondensator bypass input (Cin1) yang mengalir-sendiri semasa melalui MOSFET semasa pada masa terus-menerus MOSFET sisi tinggi ke kondensator bypass dalaman dan output (CO1), dan akhirnya mengembalikan kondensator bypass input.

Loop 2 dibentuk semasa off-time bagi MOSFET sisi tinggi dalaman dan pada-masa MOSFET sisi rendah. tenaga yang disimpan dalam induktor dalaman mengalir melalui kondensator bypass output dan MOSFET sisi rendah, dan akhirnya kembali ke GND (seperti yang dipaparkan dalam Gambar 1). Kawasan di mana dua gelung tidak meliputi satu sama lain (termasuk sempadan antara gelung) adalah kawasan semasa di/dt tinggi. Kondensator bypass input (Cin1) bermain peran kunci dalam menyediakan semasa frekuensi tinggi kepada penyukar dan mengembalikan semasa frekuensi tinggi ke laluan sumbernya.

Walaupun kondensator bypass output (Co1) tidak membawa semasa AC besar, ia bertindak sebagai penapis frekuensi tinggi untuk menukar bunyi. Oleh sebab-sebab di atas, kapasitor input dan output pada modul patut ditempatkan sebanyak mungkin dengan pin VIN dan VOUT mereka. Seperti yang ditampilkan dalam Figure 2, jika jejak antara kondensator bypass dan pin VIN dan VOUT sesuai mereka dikurangkan dan diperbesar sebanyak mungkin, induktan yang dijana oleh sambungan ini boleh dikurangkan.

Mengurangi induktan dalam bentangan PCB mempunyai dua keuntungan besar. Pertama, meningkatkan prestasi komponen dengan mempromosikan pemindahan tenaga antara Cin1 dan CO1. Ini akan memastikan modul mempunyai bypass frekuensi tinggi yang baik dan minimumkan puncak tensi induktif yang dijana oleh arus di/dt tinggi. Pada masa yang sama, bunyi peranti dan tekanan tekanan boleh diminumkan untuk memastikan operasi normal. Kedua, minimum EMI.

Sambungan kondensator dengan kurang induktan parasit akan menunjukkan ciri-ciri impedance rendah untuk frekuensi tinggi, dengan itu mengurangkan radiasi yang dilakukan. Ia dicadangkan untuk menggunakan kondensator keramik (X7R atau X5R) atau kondensator ESR rendah lainnya. Hanya apabila kapasitasi tambahan ditempatkan dekat dengan terminal GND dan VIN, kapasitasi input tambahan boleh berkesan. Modul kuasa SIMPLE SWITCHER dirancang unik untuk mempunyai radiasi rendah dan dilakukan EMI. Ikut panduan bentangan PCB yang diperkenalkan dalam artikel ini untuk mencapai prestasi yang lebih tinggi.

Rencana laluan semasa loop sering dilupakan, tetapi ia bermain peran kunci dalam optimizasi rancangan bekalan kuasa. Selain itu, jejak pendaratan antara Cin1 dan CO1 patut dikurangkan dan diperbesar sebanyak mungkin, dan tersambung secara langsung ke pad yang terkena. Ini sangat penting untuk sambungan tanah kondensator input (Cin1) dengan arus AC yang besar.

Pin terendah (termasuk pad terkena), kondensator input dan output, kondensator permulaan-lembut, dan resistor balas balik dalam modul sepatutnya disambung ke lapisan loop pada PCB. Lapisan loop ini boleh digunakan sebagai laluan kembali dengan arus induktan yang sangat rendah dan sebagai sink panas yang akan dibahas di bawah.

Penegang balas balik juga patut ditempatkan sebanyak mungkin kepada pin FB (balas balik) modul. Untuk minimumkan ekstraksi bunyi potensi pada nod impedance tinggi ini, penting untuk menyimpan jejak antara pin FB dan tekan tengah penentang balas balik secepat mungkin. Komponen pembayaran yang ada atau kondensator pasukan balik patut ditempatkan sebanyak mungkin kepada penangkap pasukan balik atas.

Rekomendasi desain panas

Sementara bentangan kompat modul membawa manfaat dalam aspek elektrik, ia juga mempunyai kesan negatif pada rancangan penyebaran panas, dan kuasa yang sama mesti disebabkan dari ruang yang lebih kecil. Mengingat masalah ini, satu pad terbuka besar dirancang di belakang pakej modul kuasa SIMPLE SWITCHER, yang didarat secara elektrik. Pad ini membantu menyediakan perlahan panas yang sangat rendah dari MOSFET dalaman (yang biasanya menghasilkan sebahagian besar panas) ke PCB.

Impedasi panas (θJC) dari sambungan setengah konduktor ke pakej luar peranti ini adalah 1.9°C/W. Walaupun ia adalah ideal untuk mencapai nilai θJC yang memimpin industri, apabila resistensi panas (θCA) dari pakej ke udara terlalu besar, nilai θJC rendah tidak bermakna! Jika tidak ada laluan penyebaran panas yang rendah-impedance ke udara sekeliling, panas akan berkumpul di pad yang terkena dan tidak boleh disembunyikan. Jadi, apa yang menentukan nilai θCA? Penegangan panas dari pad yang terkena ke udara dikendalikan sepenuhnya oleh rancangan PCB dan sink panas yang berkaitan.

Sekarang mari kita faham dengan cepat bagaimana untuk melakukan rancangan penyebaran panas PCB sederhana tanpa sink panas. Figure 3 menunjukkan modul dan PCB sebagai impedance panas. Berbanding dengan perlawanan panas dari persimpangan ke pad mati, kerana perlawanan panas antara persimpangan dan atas pakej luar relatif tinggi, kita boleh abaikan perlawanan panas (θJT) dari persimpangan ke udara sekeliling untuk pertama kali laluan penyebaran panas θJA.

Langkah pertama dalam rancangan panas adalah untuk menentukan kuasa yang akan hilang. Kuasa (PD) yang dikonsumsi oleh modul boleh dihitung dengan mudah menggunakan graf efisiensi (η) yang diterbitkan dalam helaian data.

Kemudian, kita gunakan dua keterangan suhu, TAmbient suhu tertinggi dalam rancangan, dan suhu junksi bernilai TJunction (125°C), untuk menentukan resistensi panas yang diperlukan dari modul yang dikemaskan pada PCB.

Akhirnya, kita menggunakan pendekatan termudah terbesar pemindahan panas konvektif di permukaan PCB (dengan sink panas tembaga 1 ons yang tidak rosak dan lubang penyebaran panas yang tidak terdapat di lapisan atas dan bawah) untuk menentukan kawasan papan yang diperlukan untuk penyebaran panas.

Nilai kira-kira kawasan PCB yang diperlukan tidak mempertimbangkan peran yang dimainkan oleh lubang penyebaran panas, yang memindahkan panas dari lapisan logam atas (pakej disambung ke PCB) ke lapisan logam bawah. Lapisan bawah berkhidmat sebagai lapisan permukaan kedua, dari mana konveksi boleh memindahkan panas dari papan. Untuk kawasan papan kira-kira berkesan, sekurang-kurangnya 8 hingga 10 lubang penyebaran panas mesti digunakan. Penegangan panas lubang penyebaran panas adalah kira-kira kepada nilai persamaan berikut.

Perkiraan ini adalah untuk lubang biasa dengan diameter 12 mil dan dinding sisi tembaga 0.5 ons. Rancangkan sebanyak mungkin lubang penyebaran panas di seluruh kawasan di bawah pad yang terkena, dan membuat lubang penyebaran panas ini membentuk satu tatapan dengan jangkauan 1 hingga 1,5 mm.

dalam kesimpulan

Modul kuasa SIMPLE SWITCHER menyediakan alternatif untuk desain bekalan kuasa kompleks dan bentangan PCB biasa berkaitan dengan penyukar DC/DC. Walaupun masalah bentangan telah dibuang, beberapa kerja rancangan teknikal masih perlu selesai untuk optimumkan prestasi modul dengan rancangan bypass dan dissipasi panas yang baik.